Ils détectent le neutrinos le plus énergétique observé jusqu’à présent

La découverte implique une révolution dans notre compréhension des phénomènes les plus violents et les plus énergiques de l’univers et, en même temps, confirme l’importance croissante de «l’astronomie multi-messager», un domaine relativement nouveau qui ne se limite pas à l’exploration L’univers analysant les informations qui nous reviennent à travers sa lumière (rayonnement électromagnétique), mais se concentre sur d’autres messagers différents, tels que les neutrinos, les rayons cosmiques et les ondes gravitationnelles, dont l’étude révèle des aspects invisibles pour les télescopes traditionnels.

Un neutrino exceptionnel

Ainsi, le 13 février 2023, le détecteur ARK du télescope de neutrinos KM3NET a détecté un événement extraordinaire: un neutrino avec une énergie estimée d’environ 220 PEV (Petaelectonvolts), soit 220 000 millions d’électronfolts. L’électronvolt est une unité d’énergie largement utilisée en physique des particules, et équivaut à la quantité d’énergie qu’un électron acquiert lorsqu’il se déplaçant entre deux points avec une différence de potentiel de 1 volt.

L’événement, appelé KM3-230213A, n’est pas seulement le neutrino le plus énergique jamais observé, mais constitue également la première preuve que ces particules insaisissables, également appelées «particules fantômes», sont capables d’atteindre des énergies aussi extrêmes.

Plus précisément, les chercheurs ont identifié un seul muon traversant l’ensemble du détecteur et générant des signaux dans plus d’un tiers des capteurs actifs. L’inclinaison de sa trajectoire, combinée à son énorme énergie, suggère que le muon est originaire d’un neutrino cosmique qui interagissait avec une autre particule au voisinage du détecteur. Les muones sont des particules élémentaires de la même famille que les électrons, bien que plus lourdes, et sont créées dans les rares occasions où les neutrinos interagissent avec la matière.

«KM3NET – Explique Paschal Coyle, porte-parole de la collaboration scientifique et des chercheurs du Marseille Particle Physics Center – a commencé à explorer une gamme d’énergie et de sensibilité dans laquelle les neutrinos peuvent provenir de phénomènes astrophysiques extrêmes. Cette première détection d’un PEV Hundred Neutino ouvre un nouveau chapitre dans l’astronomie des neutrinos et une nouvelle fenêtre d’observation de l’univers ».

Univers à haute énergie

Le So-Salled «High Energies Universe» est le royaume violent des événements les plus extrêmes du Cosmos, des banquets les plus voraces des trous noirs supermassifs au centre des galaxies aux explosions des supernovas, aux rafales des rayons gamma ou des rapides Radio Gusts (FRB), phénomènes, tous, qui ne sont pas encore trop bien compris. Tous ces événements puissants ont en commun le fait qu’ils fonctionnent comme des «accélérateurs cosmiques» authentiques et génèrent des flux d’énergie extrêmement que les scientifiques appellent des «rayons cosmiques».

Certaines de ces particules de haute énergie peuvent interagir avec la matière ou avec des photons proches de leur point d’origine, produisant des neutrinos et des photons. D’autres, le plus d’énergie, voyagent à travers l’univers et interagissent avec les photons du rayonnement micro-ondes cosmiques, qui imprègne l’univers entier et c’est l’écho lointain du Big Bang, produisant des neutrinos “cosmogènes” extrêmement puissants.

«Les neutrinos – explique Rosa Coniglione, directrice adjointe de KM3NET au moment de la détection – sont l’une des particules élémentaires les plus mystérieuses. Ils n’ont pas de charge électrique, ils n’ont presque pas de masse et n’interagissent que faiblement avec la matière. Ce sont des messagers cosmiques spéciaux, qui nous donnent des informations uniques sur les mécanismes impliqués dans les phénomènes les plus énergétiques qui existent et nous permettent d’explorer les limites les plus éloignées de l’univers ».

Particules fantômes

Bien que les neutrinos soient la deuxième particule la plus abondante de l’univers (après les photons), ils «collisent» rarement avec d’autres particules et sont capables de traverser même des planètes entières comme si elles n’existaient pas. Par conséquent, ils sont très difficiles à observer, quelque chose qui n’est réalisé qu’avec d’énormes détecteurs construits à KM profondément sous les hautes montagnes, des couches épaisses de glace aux pôles ou, comme le KM3NET, dans le fond marin à une grande profondeur. De cette façon, il est accompli que toute particule des «trébuchements» des autres avec la roche, la glace ou l’eau, et que seuls les neutrinos passent, dont certains finissent, enfin, impactant avec une particule à l’intérieur des détecteurs eux-mêmes, gros lourd Réservoirs d’eau entourés de milliers de détecteurs ultrasensibles.

Le télescope de neutrin KM3NET, actuellement dans ses dernières phases de construction, utilise l’eau de mer elle-même comme moyen d’interaction avec les neutrinos. Ainsi, lorsqu’un neutrino entre dans le détecteur et interagit avec certaines des particules d’eau, il émet un léger flash bleuâtre, le «Cherenkov Luz», qui est immédiatement détecté par les capteurs. La lumière de Cherenkov est analogue à la structuration sonore qui se produit lorsqu’un plan supersonique brise la barrière sonore; Dans ce cas, les particules se déplacent à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l’eau. (La vitesse de la lumière dans le vide est de 300 000 km / s, le maximum possible, mais il est un peu plus bas lorsqu’il se déplace à travers un milieu, comme l’air ou l’eau).

«Déterminer la direction et l’énergie de ce neutrino – dit Aart Heijboer, le gestionnaire de physique et le logiciel KM3NET au moment de la détection – nécessitait un étalonnage précis du télescope et le développement d’algorithmes sophistiqués de reconstruction des trajectoires. De plus, cette détection remarquable a été obtenue avec un seul dixième de la configuration finale du détecteur, ce qui démontre le grand potentiel de notre expérience pour l’étude des neutrinos et pour l’astronomie des neutrinos ».

Détecteurs ARCA et ORCA

Le détecteur KM3NET / ARCA (recherche d’astroparticules avec Cosmics in the Abyss) est principalement dédié à l’étude des neutrinos énergétiques les plus élevés et de leurs sources dans l’univers. Il est situé à 3 450 m de profondeur, à environ 80 km de la côte de Portopalo di Capo Passero, en Sicile. Ses unités de détection (DU), 700 m de haut, sont ancrées dans le fond marin et sont placées à environ 100 m les unes des autres. Chaque DU est équipé de 18 modules optiques numériques (DOM), chacun avec 31 photomultipliers (PMT). Dans sa configuration finale, ARCA comprendra 230 Du. Les données recueillies sont transmises par un câble sous-marin à la station sur terre.

Pour sa part, le détecteur KM3NET / ORCA (recherche d’oscillation avec les cosmiques dans l’abîme) est optimisé pour étudier les propriétés fondamentales du neutrino lui-même. Il est à une profondeur de 2 450 m, à environ 40 km de la côte de Toulon, en France. Une fois terminé, il comprendra 115 DU, chacun de 200 m de haut et espacé par 20 m. Les données recueillies par ORCA sont envoyées à la station sur terre au Seyne Sur Mer.

«L’échelle KM3NET – dit des milliers de Lindsey Clark, responsable technique du projet au moment de la détection – qui couvrira un volume d’environ un kilomètre cube avec un total d’environ 200 000 photomultipliers, ainsi que son emplacement extrême dans l’abîme de la Méditerranée Sea, démontre les efforts extraordinaires nécessaires pour faire progresser l’astronomie des neutrinos et la physique des particules. La détection de cet événement est le résultat d’un énorme effort de collaboration entre de nombreux ingénieurs internationaux, équipes techniques et scientifiques ».

Le neutrinos ultra-énergie nouvellement détecté aurait pu être généré directement dans un puissant «accélérateur cosmique». Mais il pourrait également s’agir de la première détection d’un «neutrino cosmogène». Cependant, et étant le seul neutrino connu avec ce niveau d’énergie extraordinaire, il est difficile d’établir son origine. Les observations futures tenteront d’enregistrer plus d’événements de ce type pour avoir une image plus claire. La collaboration KM3Net rassemble plus de 360 ​​scientifiques, ingénieurs, techniciens et étudiants de 68 établissements de 21 pays du monde. La découverte exceptionnelle marque une étape importante dans l’astronomie des neutrinos et ouvre de nouveaux chemins pour explorer les phénomènes les plus énergétiques, violents et mystérieux de l’univers.